蔡世超

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春　130021)

隨著綠色低碳環(huán)保經(jīng)濟和智能電網(wǎng)的建設，接近用戶側、環(huán)境友好型的多能互補式分布式能源系統(tǒng)越來越受到青睞[1-3]。2016年7月，國家發(fā)改委發(fā)布關于推進多能互補集成優(yōu)化示范工程建設的實施意見。建設多能互補集成優(yōu)化示范工程是構建“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源系統(tǒng)”的重要任務之一，有利于提高能源供需協(xié)調(diào)能力，推動能源清潔生產(chǎn)和就近消納，減少棄風、棄光、棄水限電，促進可再生能源消納，是提高能源系統(tǒng)綜合效率的重要手段，對于建設清潔低碳、安全高效現(xiàn)代能源體系具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的戰(zhàn)略意義。

多能互補分布式能源系統(tǒng)能將多種具有互補性的分布式能源集中于同一網(wǎng)絡中，能夠充分利用風能、太陽能、天然氣等清潔能源，從而提高整個區(qū)域能源系統(tǒng)的能源利用率、經(jīng)濟性與穩(wěn)定性。

本文建立了一種多能互補分布式能源系統(tǒng)的區(qū)域能源系統(tǒng)構架，提出多能互補優(yōu)化集成方案，從而通過統(tǒng)籌考慮常規(guī)能源與可再生能源，兼顧區(qū)域集中能源技術和分散能源技術，使多種能源、多種技術在社區(qū)層面優(yōu)化組合，形成優(yōu)勢互補。多能互補分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟穩(wěn)定運行依賴于有效合理的能量管理與集成控制。本文針對所提出的區(qū)域多能互補分布式能源系統(tǒng)構架，制定出綜合能源管理系統(tǒng)體系構架和綜合能源管理調(diào)配策略，對整個新區(qū)內(nèi)各分布式能源、負荷、電力電子裝置等系統(tǒng)運行狀態(tài)進行監(jiān)測，并依據(jù)控制策略進行集中管理和控制。

1　區(qū)域多能互補分布式能源系統(tǒng)構架

1.1　區(qū)域內(nèi)多能互補分布式能源系統(tǒng)的電源形式

多能互補分布式能源系統(tǒng)電源形式豐富，主要包括：生物質(zhì)發(fā)電、垃圾發(fā)電、小水電、燃氣輪機發(fā)電、光伏發(fā)電、風力發(fā)電以及冷熱電聯(lián)產(chǎn)。此外，多能互補分布式系統(tǒng)還可包含多種形式的儲能裝置：飛輪儲能、超級電容儲能、超導儲能以及各種形式的電池儲能。相對于傳統(tǒng)集中式供電方式而言，分布式能源系統(tǒng)將發(fā)電系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式布置在用戶附近，可獨立將一次能源同時轉換成電力、熱水、蒸汽、冷水等[2]。應根據(jù)所在區(qū)域內(nèi)能源資源以及區(qū)域內(nèi)的水、電、熱、冷，天然氣、蒸汽等各類能源需求，綜合考慮多種能源穩(wěn)定供給、能源綜合利用效率、投資運行的經(jīng)濟性以及綠色環(huán)保的要求，合理配置各類電源和供能裝置，優(yōu)化組合。

在所要建設多能互補分布式能源系統(tǒng)的區(qū)域內(nèi)，一般電網(wǎng)構架已經(jīng)初步形成，電力負荷和電源點相互交錯，往往通過不同電壓等級各自獨立接入到主電網(wǎng)之中，因此區(qū)域內(nèi)的能源系統(tǒng)不能再以單獨的微電網(wǎng)系統(tǒng)并入?yún)^(qū)域主電網(wǎng)，而是把各分布式能源、各能源負荷以及區(qū)域內(nèi)的能源服務作為整體考慮，按照獨特的運行模式進行一體化能量管理調(diào)控。各自獨立運行的分布式能源站集成優(yōu)化為一個整體，以就近最大限度消納清潔能源為目的，使各分布式能源協(xié)調(diào)運行。建議在區(qū)域內(nèi)建立能源綜合管控中心，在保證區(qū)域內(nèi)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠的前提下，對各類分布式能源系統(tǒng)進行多能互補、優(yōu)化調(diào)度，以便實現(xiàn)整個系統(tǒng)能源利用效率的最大化以及經(jīng)濟效益的最大化。這種能源系統(tǒng)利用各種能源在時間、空間以及特性上存在的互補性，將分布式能源進行整合，緩解系統(tǒng)波動。結合能量管理手段和先進控制方式，互聯(lián)一定數(shù)量的分布式能源，使各自獨立的分布式能源在經(jīng)過“打包”后，從整體上體現(xiàn)出可控性，提升供能可靠性，同時這種互補發(fā)電系統(tǒng)有利于多種電源統(tǒng)一布局和相互協(xié)調(diào)?？蓪⒎植际侥茉聪到y(tǒng)作為區(qū)域能源中心，實施冷、熱、電三聯(lián)供，生物質(zhì)、生活垃圾處理以及再生水利用的大型循環(huán)經(jīng)濟體系，達到多能互補協(xié)同發(fā)展,智慧管控的目的。

1.2　區(qū)域內(nèi)多能互補分布式能源系統(tǒng)供能關系

多能互補分布式能源的多樣化、供電能力的不同以及負荷結構的多樣化導致其內(nèi)部各層次元素的不同和層次間聯(lián)結關系的差異。區(qū)域多能互補分布式能源站中從一次能源的輸入到能量終端用戶主要有電能流、熱能流以及天然氣流等能量流，區(qū)域內(nèi)具體的多能互補分布式能源系統(tǒng)供能關系見圖1。區(qū)域內(nèi)一次能源輸入主要由風、光、天然氣燃料、生活垃圾、生物質(zhì)和外部電網(wǎng)供應。燃氣輪機除了生產(chǎn)高品質(zhì)電能外，還可以通過熱能蒸汽來滿足新區(qū)內(nèi)的熱負荷需求和工業(yè)蒸汽的需求，并且可以提供一部分熱能蒸汽給蒸汽式可吸收制冷機以及氣體吸收制冷機制冷用，以便用來滿足一部分的冷能需求，另一部分冷能需求則由電能轉換來滿足。多余的電能還可以向儲能裝置充電。

圖1　區(qū)域內(nèi)多能互補分布式能源系統(tǒng)供能關系

以高郵市城南經(jīng)濟新區(qū)惠民型多能互補綜合示范工程為例，截至2015年末，高郵市城南經(jīng)濟新區(qū)最大負荷達到26 MW，全部來源于上級電網(wǎng)。預計在未來5年內(nèi)負荷增長率可達10.38%；隨著區(qū)內(nèi)企業(yè)的發(fā)展，預計2020年工業(yè)企業(yè)最大工業(yè)用汽量將達到50 t/h，制冷負荷將達到35 MW。高郵市太陽能資源豐富，且高郵市地面可利用面積大，工業(yè)園區(qū)廠房屋頂建設分布式光伏條件好，因此光伏電站的建設可為當?shù)靥峁┹^為充足、清潔的電量。為了在滿足區(qū)域冷熱需求的同時，使新區(qū)的能源配置達到多能互補的目的，減少與電網(wǎng)的電量交換，設計建設規(guī)模為38 MW聯(lián)合循環(huán)機組(分布式能源站)，其最大工業(yè)蒸汽供給量不僅可以滿足遠期的企業(yè)生產(chǎn)用汽需求，而且還可以提供額外的熱蒸汽，并可通過吸收式制冷的方式，為經(jīng)濟新區(qū)提供充足的空調(diào)冷水。設計建設60 MW光伏發(fā)電機組，其中50 MW以農(nóng)業(yè)光伏大棚形式集中建設，另外10 MW規(guī)劃利用工廠廠房或居民建筑樓頂分布式建設，所發(fā)電力就地并網(wǎng)消納。

高郵項目中新建38 MW燃機電站和50 MW光伏發(fā)電，優(yōu)化了電源結構。該項目年發(fā)電量為3×108kW·h，其中78.9%由天然氣燃機供給，另外21.1%由光伏發(fā)電供給;天然氣燃機實現(xiàn)了能源梯級利用，預計通過多能互補光伏發(fā)電電量達到100%消納。工程按供電煤耗低于310 g/(kW·h)、污染物排放按燃氣輪機組排放限值進行估算，本工程年發(fā)電量為3×108kW·h，折算節(jié)約標準煤為9.59×104t。按燃氣輪機組排放限值估算，可減少二氧化硫排放約40.1 t/a，氮氧化物約57.2 t/a，二氧化碳約24.9×104t/a。

2　綜合能源管理系統(tǒng)

2.1　綜合能源管理體系構架

基于區(qū)域多能互補分布式能源循環(huán)經(jīng)濟體系的構想，搭建區(qū)域多能互補綜合能源管理系統(tǒng)，見圖2。該系統(tǒng)由兩部分構成：能源綜合管控中心系統(tǒng)和各分布式能源自身的監(jiān)控系統(tǒng)以及負荷監(jiān)測系統(tǒng)(包括：樓宇能源綜合管控系統(tǒng)、充電站監(jiān)控系統(tǒng)，用戶用能監(jiān)測系統(tǒng))。電力系統(tǒng)調(diào)度中心與區(qū)域內(nèi)分布式能源系統(tǒng)的信息交換由能源綜合管控中心系統(tǒng)負責管理。

綜合各分布式能源、負荷本地控制系統(tǒng)提供的信息，基于分布式能源發(fā)電的成本、儲能單元的剩余容量、電網(wǎng)電價以及根據(jù)負荷需求制定的經(jīng)濟發(fā)電計劃，能源綜合管控中心系統(tǒng)運用合理的能量管理策略管理各分布式發(fā)電單元以及儲能單元的運行狀態(tài)，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的能量平衡和經(jīng)濟運行。能源綜合管控中心系統(tǒng)與分布式能源、負荷本地控制系統(tǒng)之間的信息交換通過本地的專用能源數(shù)據(jù)網(wǎng)實現(xiàn)。

圖2　區(qū)域多能互補綜合能源管理體系構架

2.2　綜合能源管理調(diào)配策略與運行模式

在保證區(qū)域內(nèi)各能源系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行前提下，一體化綜合能源管理技術根據(jù)能源負荷需求、各分布式能源發(fā)電情況、天氣情況、電價和氣價等信息，以分布式能源系統(tǒng)最小的運行成本、排放成本、網(wǎng)損成本以及停電成本為目標函數(shù)，以可靠性、網(wǎng)損、系統(tǒng)電壓電流、設備容量、供電平衡技術為運行約束[4]，為分布式能源、儲能以及負荷等提供合理的參考運行點，統(tǒng)一協(xié)調(diào)各分布式能源和負荷等設備，調(diào)控區(qū)域內(nèi)分布式能源系統(tǒng)與大電網(wǎng)的電量交換，以達到經(jīng)濟運行，節(jié)能減排的目的。

根據(jù)負荷預測、分布式能源發(fā)電預測、電價及氣價等信息，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電能交換、可控分布式能源的調(diào)度、負荷側需求響應的控制管理，最終實現(xiàn)整個新區(qū)的能量優(yōu)化調(diào)度。

多能互補綜合能量管理系統(tǒng)的構成及工作流程見圖3。首先根據(jù)各分布式能源出力的計劃和預測、負荷預測(熱、電、冷)、市場清算價格預算以及生態(tài)環(huán)保指標等來制定生產(chǎn)計劃，然后結合分布式能源有效出力、儲能水平以及生態(tài)環(huán)保的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等調(diào)整生產(chǎn)計劃，根據(jù)調(diào)整好的生產(chǎn)計劃對主電網(wǎng)的交換功率、負荷需求以及分布式能源的出力等進行調(diào)整控制。

圖3　多能互補綜合能量管理系統(tǒng)構成及工作流程

區(qū)域多能互補分布式能源系統(tǒng)中的可調(diào)節(jié)變量比常規(guī)的電力系統(tǒng)更加豐富。在滿足整個系統(tǒng)運行約束的前提下，通過調(diào)節(jié)各分布式能源的輸出以及輸入等變量，保證很好地利用可再生能源以及實現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)的優(yōu)化運行，故而，區(qū)域的多能互補調(diào)控系統(tǒng)是能量管理系統(tǒng)的核心。其能量管理重點在于分布式能源系統(tǒng)接入帶來的影響、分布式發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的異同、整個系統(tǒng)各個單元的控制技術以及由多能互補能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度等方面。

圖4區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)功能結構

網(wǎng)送至能源綜合管控中心，便于運行人員遠程監(jiān)控各站點。用戶側數(shù)據(jù)可通過公網(wǎng)或專線方式將信息送至能源綜合管控中心，同時，區(qū)域綜合能源管理系統(tǒng)具備與當?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)度端通信接口。

3　結論

多能互補分布式能源系統(tǒng)能將多種具有互補性的分布式能源集中于同一網(wǎng)絡中，從而提高整個區(qū)域能源系統(tǒng)的能源利用率、經(jīng)濟性與穩(wěn)定性。本文基于工程實際情況，提出把各分布式能源、各能源負荷以及區(qū)域內(nèi)的能源服務作為整體考慮，按照獨特的運行模式進行一體化能量管理調(diào)控?；谒岢龅膮^(qū)域多能互補分布式能源循環(huán)經(jīng)濟體系的構想，建立能源綜合管控中心，搭建綜合能源管理系統(tǒng)平臺，在保證區(qū)域內(nèi)電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠的前提下，對各類分布式能源系統(tǒng)進行多能互補、優(yōu)化調(diào)度，以便實現(xiàn)整個系統(tǒng)能源利用效率的最大化以及經(jīng)濟效益的最大化。

參考文獻：

[1]高嚴.面向21世紀電力科學技術講座[M].北京：中國電力出版社，2001.

[2]梁浩，張峰，龍惟定．基于多能互補的區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化模型[J]．暖通空調(diào)HV&AC，2012，42(7)：67-71．

[3]高翔．微網(wǎng)系統(tǒng)多能互補協(xié)調(diào)控制研究[D]．廣州：華南理工大學，2012．

[4]徐虹．多能互補微網(wǎng)能量管理策略研究[D]．北京：華北電力大學，2013．